Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнологические процессы и биореакторы разработка и проектирование. Учебное пособие.pdf
201
.
В координатах
график представляет собой прямую
линию: отрезок отсекаемый на оси ординат, равен
, а тангенс угла
наклона прямой равен
. Обработка экспериментальных данных дает
следующие результаты:
,
;
, .
202
5. РАЗВИТИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
5.1. ОСНОВЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ МАКРОКИНЕТИКИ И ТЕОРИИ БИОРЕАКТОРОВ
Расчет степени превращения по термодинамическим данным позволяет определить максимально возможный выход, не давая, однако, никакой информации о скорости процесса. Такие термодинамические расчеты
относятся к условиям равновесия, когда результирующая скорость биохимической реакции равна нулю. Теоретическое достижение равновесия
невозможно за конечное время проведения реакции, и степень превращения всегда несколько ниже, чем при равновесии. Для экономичного технологического процесса время его проведения должно быть ограничено; чем
оно короче, тем большее количество исходных веществ (сырья) может
быть переработано установкой или тем меньшие размеры должно иметь
оборудование, предназначенное для получения заданного количества продукта. Из этого следует, что для окончательного выбора биохимической
концепции метода производства необходимо знать зависимость скорости
биохимической реакции от условий проведения биохимического процесса.
Измерение скорости биохимической реакции в лабораторных условиях обычно осуществляется в условиях, исключающих влияние побочных
факторов; как правило, исследования ведутся при постоянных температуре, давлении и интенсивном перемешивании. Полученные таким образом
кинетические данные очень полезны для изучения механизма реакции,
но не касаются количественной оценки скорости процесса.
При осуществлении сложной биохимической реакции в опытнопромышленных условиях в ферментере одновременно могут протекать
несколько (и даже несколько десятков) простых реакций, связанных с пе-
203
реносом массы и тепла в культуральной среде, гидродинамической структурой потоков при перемешивании среды в аппарате. Поэтому для биотехнологического процесса, проводимого в большом масштабе, вводят понятие макрокинетики (технической скорости биохимического превращения);
в общем случае эта скорость будет функцией не только состава реакционной системы и температуры, но также скорости технологического потока,
величины поверхности соприкосновения фаз, интенсивности перемешивания и т.д. [12, 14, 15]. На протяжении последних десятилетий существует
тенденция выделения теории промышленных биохимических процессов
как отдельной науки; в ней можно различать два основных направления:
макрокинетику, т.е. методы расчета скорости превращения [26 – 28],
и теорию биохимических реакторов, цель которой – определение выхода
целевого продукта в биореакторах различных типов и их проектирование
[5, 8, 10, 13, 21, 30].
Задача биохимической макрокинетики – выбор таких условий осуществления, при которых биохимические превращения, проходящие
с соответствующим выходом, достигали бы скорости, позволяющей реализовать эти превращения в промышленных условиях.
При проектировании биохимических реакторов следует учитывать
сложность и многообразие способов осуществления биохимических процессов. В большинстве случаев, кроме основного конструктивного элемен-
та, в котором происходят биохимическое превращение исходного веще-
ства, биореакторы оборудуются большим количеством вспомогательных
конструктивных элементов, предназначенных для проведения физических
процессов (гидродинамических, массо- и теплообменных), и с помощью
которых создаются оптимальные условия для проведения собственно био-
химического превращения вещества (биохимической реакции). Это могут
быть мешалки, контактные устройства, насосы, теплообменники и т.д.
Поэтому все биохимические реакторы представляют собой комплексные
204
аппараты, состоящие из известных конструктивных элементов, большинство которых используется для проведения технологических операций,
не сопровождающихся биохимическим превращением перерабатываемых
веществ. Количество таких конструктивных сочетаний, а значит и типов
биореакторов, может быть достаточно большим, что объясняется многообразием и сложностью протекающих в них биохимических реакций.
Однако для большинства биореакторов существуют общие принципы,
на основе которых находят связь между конструкцией (типом аппарата)
и основными закономерностями протекающего в нем биотехнологического процесса [9, 10].
Часто реакторы классифицируют по тем факторам, которые определяют выбор метода их расчета:
1) способ подвода и отвода реагентов;
2) вид перемешивания в реакционном пространстве;
3) условия теплообмена;
4) фазовый состав реагирующей смеси [4, 5, 12].
По способу подвода и отвода реагентов биореакторы делятся на следующие типы:
а) аппараты периодического действия, в которые все исходные реагенты вводятся до начала реакции, а смесь продуктов отводится после
окончания биотехнологического процесса;
б) аппараты непрерывного действия, характеризуемые установив-
шимся потоком реагентов в реакционном пространстве;
в) аппараты полунепрерывного действия [30].
В биореакторе периодического действия все отдельные стадии биотехнологического процесса (биохимической реакции) протекают последовательно, в разное время; условия осуществления биотехнологического
процесса в реакторе периодического действия изменяются во времени.
Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков
205
во всех точках реакционного объема; в таком аппарате продолжительность
реакции можно измерить непосредственно, так как время биохимического
превращения и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Биореакторы периодического действия функционируют в динамическом режиме и поэтому трудно поддаются автоматическому контролю
и управлению.
В реакторе непрерывного действия все отдельные стадии биотехно-
логического процесса (подача реагирующих веществ, биохимическое пре-
вращение вещества, вывод продуктов реакции) осуществляются в установившемся (статическом) режиме. Характер изменения концентраций
реагирующих веществ различен в разных точках реакционного объема
биореактора, но постоянен во времени для одной и той же точки реакционного пространства аппарата.
В аппаратах непрерывного действия элементарные объемы поступа-
ющего в аппарат технологического потока находятся в реакционном пространстве биореактора разное время, и, следовательно, общее время их
пребывания в реакционной зоне определяется из плотности распределения
времени пребывания элементарных объемов в аппарате. В общем случае
время осуществления биохимического превращения зависит от интенсив-
ности перемешивания, структуры потоков в реакционном пространстве
биореактора, и для каждого типа биореактора оно индивидуально.
Биореакторы непрерывного действия высокопроизводительны, сравнительно легко поддаются автоматическому контролю и регулированию
технологических параметров при управлении процессом биохимического
превращения вещества с применением управляющих ЭВМ [12].
В биореакторы полунепрерывного действия часть исходных реагентов вводится до начала процесса, а другая часть равномерно дозируется
в ходе протекания процесса; при этом объем реакционной массы увеличивается, поскольку смесь продуктов отводится из биореактора после окон-
206
чания биотехнологического процесса. Кроме того, работа таких биореак-
торов может быть основана на непрерывном удалении одного из продуктов
биохимического превращения методом дистилляции или ректификации.
По виду перемешивания биореакторы можно подразделить на две
группы: емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой
или циркуляционным насосом, а также трубчатые реакторы, в которых перемешивание имеет локальный характер и вызывается неравновмерностью
распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями.
В трубчатом аппарате существует определенное распределение скоростей потока по его сечению; в результате состав, а также температуры
реакционной смеси в центре аппарата и у его стенок различны; кроме того,
существует значительный перепад концентраций и температур на входе и
выходе из биореактора. К таким аппаратам относятся трубчатые биореак-
торы при соотношении их высоты (длины) к диаметру , равном
не менее 20, т.е. .
На практике мы имеем дело с аппаратами для осуществления биохимических превращений с промежуточным (между режимами идеального
перемешивания и идеального вытеснения) гидродинамическим режимом.
Отклонения от идеального режима перемешивания в реакционном объеме
наблюдаются, например, в аппаратах большого объема при недостаточной
частоте вращения мешалки, наличии теплообменных устройств внутри
реакционного объема, большой скорости подачи реагентов в аппарат
непрерывного действия и т.д. В этих случаях могут возникать застойные
зоны (объемы с малым перемешиванием или вообще без перемешивания),
байпасные потоки внутри реакционного объема аппарата, а также проскок
части элементарных объемов потока без смешения через реакционный
объем аппарата [5, 13, 14, 30].
Влияние этих факторов на эффективность биохимического превращения вещества может быть существенным. Например, в застойных зонах
207
реакционного объема аппарата клетки будут находиться значительно
большее время, чем в остальном реакционном объеме аппарата, из-за чего
произойдет ингибирование процесса роста биомассы (образование инфицирующей микрофлоры). При наличии байпасного потока будет происходить проскок части субстрата, его неполное использование.
Следует отметить, что для биореакторов характерным является то,
что рост микроорганизмов и транспорт к ним питательных веществ осуществляется в жидкой фазе. Вследствие этого от времени их пребывания
в реакционном объеме аппарата будут зависеть конечные результаты их
работы, а именно: концентрация биомассы и продуктов метаболизма,
степень использования субстрата.
В аппаратах вытеснения регулярный гидродинамический режим мо-
жет быть нарушен в результате поперечного и особенно продольного пе-
ремешивания потока, что приводит к частичному выравниванию концентраций и температур по сечению и длине трубчатого аппарата. Объясняет-
ся это тем, что продольное (обратное) перемешивание интенсифицирует
перемешивание одних элементарных объемов потока, а других замедляет,
вследствие чего время пребывания их в реакционном объеме аппарата становится различным. Одним из технических способов уменьшения эффекта
продольного перемешивания является секционирование реакционного
объема, в результате чего перемешивание приобретает локальный характер
и по длине аппарата сохраняется режим, близкий к режиму полного вытеснения.
К аппаратам с промежуточным гидродинамическим режимом относится большинство ферментеров колонного типа [8]. Биореактор как аппарат, в котором осуществляется основной процесс биотехнологии – образо-
вание нового продукта в результате сложного биохимического превраще-
ния исходных веществ с участием микроорганизмов, должен функциони-
ровать эффективно, т.е. обеспечивать требуемую глубину и избиратель-
208
ность биохимического превращения. Следовательно, конструкция биохи-
мического реактора должна удовлетворять ряду различных требований:
иметь необходимый реакционный объем, обеспечивать определенный
гидродинамический режим технологического потока, создавать требуемую
поверхность контакта взаимодействующих фаз, обеспечивать необходи-
мую интенсивность теплообмена в реакционном объеме, требуемый режим
аэрации и т.д. [4, 5, 10].
В промышленных условиях важнейшее значение приобретает
не только скорость биохимического превращения вещества, но и производительность аппаратуры; поэтому выбор типа и конструкции технологиче-
ского оборудования является одним из главных и ответственных этапов
реализации биотехнологического процесса.
Большое влияние на ход биотехнологического процесса оказывает
температура; если температура практически одинакова во всем реакцион-
ном объеме и равна температуре потока питания, то биореактор называется
изотермическим. Его противоположностью является адиабатический реактор с практически полным отсутствием теплообмена между реакционным
объемом и окружающей средой; температура реакционной смеси в этом
случае зависит непосредственно от теплового эффекта биохимической
реакции. Умеренный теплообмен между реакционным объемом и окружающей его средой характерен для неизотермических биореакторов.
По фазовому составу реагирующей смеси биореакторы подразделя-
ют на гомогенные (реакция проводится в одной фазе) и гетерогенные (био-
химическое превращение вещества проводится в многофазной системе).
При этом важную подгруппу составляют контактные биореакторы, приме-
няемые для проведения биохимической реакции при использовании биологических катализаторов белковой природы (ферментов), ускоряющих
каталитические реакции в живых системах [5, 10].
209
По конструкции биохимические реакторы классифицируются следующим образом: биореакторы емкостного типа; биореакторы трубчатого
типа; биореакторы пленочного типа; биореакторы мембранного типа;
биореакторы с псевдоожиженным слоем. Выбор конструктивного типа
биореактора зависит от условий проведения биотехнологического процесса и свойств участвующих веществ в биохимическом превращении.
К важнейшим из факторов, определяющих устройство биореактора,
относятся: агрегатное состояние исходных веществ и продуктов биохими-
ческой реакции, а также их биохимические и микробиологические свой-
ства; температура и давление, при которых протекает биотехнологический
процесс; тепловой эффект биохимической реакции и скорость теплообмена; интенсивность переноса массы (массообмен), перемешивания реаген-
тов; непрерывность или периодичность организации процесса; удобство
монтажа и ремонта аппарата, простота его изготовления; доступность конструкционных материалов и т.д. [8, 10]. Из всех перечисленных выше фак-
торов агрегатное состояние вещества оказывает наибольшее влияние на
принцип организации движения взаимодействующих фаз и определяет
конструктивный тип реакторного устройства. Кроме того, от этого фактора
зависит выбор некоторых основных и вспомогательных деталей аппарата,
таких как перемешивающее устройство, поверхность теплообмена и др.
С точки зрения определения технологических возможностей биохи-
мических реакторов целесообразно систематизировать их с учетом основных гидродинамических и массообменных показателей, которые в значи-
тельной мере зависят от количества и способа подвода энергии на переме-
шивание и аэрацию в биореакторах. В соответствии с этим все биохимиче-
ские реакторы (ферментеры) могут быть отнесены к трем группам: биореакторы с подводом энергии через газовую фазу – барботажные, эрлифтные
ферментеры; биореакторы с подводом энергии через жидкую фазу –
ферментеры с самовсасывающими перемешивающими устройствами,
210
с эжекционной системой перемешивания и аэрации, с внешним циркуляционным контуром; биореакторы с комбинированным подводом энергии –
высокоинтенсивные ферментеры с механическим перемешиванием
и одновременно барботажем сжатым воздухом [8, 10].
Биохимический реактор (ферментер) имеет также ряд устройств
и даже целых узлов, с помощью которых к нему присоединяются основное
и вспомогательное оборудование, датчики, контрольно-измерительные
приборы и запорно-регулирующая арматура.
Сравнение и выбор определенного типа биохимического реактора –
сложная техническая задача, для решения которой необходимы, прежде
всего, всесторонний анализ и установление взаимной связи большого числа технологических и экономических требований. Одной из важнейших
характеристик биореактора является его удельная производительность,
численно равная количеству основного продукта, получаемого с единицы
реакционного объема в единицу времени.
Величина удельной производительности биореактора связана непо-
средственно с кинетикой биотехнологического процесса и типом биореак-
тора. Сравнение биореакторов непрерывного и периодического действия
показывает, что для достижения одной и той же величины удельной про-
изводительности в аппаратах требуется разное время. В периодических
процессах к чистому времени биохимического превращения вещества надо
добавить дополнительное время, связанное с необходимостью подготовки
аппарата к очередной операции ферментации; причем влияние дополни-
тельного времени сильнее всего проявляется при проведении быстрых
биохимических превращений, что делает невыгодным использование
биореакторов периодического действия. Однако, для биохимических реак-
ций, протекающих медленно и в малом объеме, биореакторы периодического действия распространены достаточно широко.